Hydrate de méthane

Du méthane est stocké sous forme d'hydrates de méthane dans les sédiments océaniques profonds et au niveau des talus continentaux à des profondeurs de quelques centaines de mètres.

On trouve également des hydrates de méthane dans le pergélisol des régions circumpolaires de l'Eurasie et de l'Amérique.

Depuis les premières estimations dans les années 1970, la quantité d'hydrate de méthane dans le réservoir océanique a été révisée à la baisse mais reste considérable. Selon une estimation récente[8], cette quantité serait comprise entre 1 et 5 × 10¹⁵ m³ de gaz, soit entre 0,5 et 2,5 × 10¹² tonnes de carbone. La quantité d'hydrates de méthane dans le réservoir continental est moins bien connue. La surface relativement faible (10 millions de km²) occupée par le pergélisol laisse supposer qu'elle est moindre que dans le réservoir océanique^{[réf. nécessaire]}. Selon Florent Dominé, du CNRS, le pergélisol est le plus gros réservoir de carbone continental de la planète : 1,7 × 10¹² tonnes de carbone d'origine végétale s'y sont accumulées depuis la dernière glaciation ; c'est deux fois plus de carbone que n'en contient actuellement l'atmosphère[9].

Par comparaison, les réserves connues de pétrole en 2005 étaient d'environ 2 × 10¹¹ m³ (voir l'article Réserve pétrolière).

Les hydrates de méthane, et plus généralement d'hydrocarbures, sont à l'origine de nombreux incidents dans des gazoducs, notamment sous-marin. Les conditions de stabilité des hydrates étant localement remplies, la tuyauterie se bouche sous l'effet de la solidification du fluide transporté^{[réf. nécessaire]}.

Distribution mondiale des ressources supposées ou confirmées d'hydrate de méthane, 1996[10].

Les réserves d'hydrate de méthane sont si considérables que de nombreuses compagnies pétrolières s'y intéressent. Mais la récupération de ce composé est difficile et coûteuse, voire dangereuse pour le climat planétaire, et les difficultés techniques à son extraction semblent actuellement loin d'être résolues.

Après l'accident nucléaire de Fukushima, le Japon a un besoin vital de nouvelles sources d'énergie. Le gouvernement a déjà lancé un programme de recherche (2001-2008) visant à localiser et qualifier la ressource sous-marine potentielles du Japon, puis un plan de sept ans (« programme sur l'exploitation de l'énergie marine et des ressources marines »), voté en mars 2009. Deux extractions tests sont prévues en 2012 et 2014 près de la fosse de Nankai au sud du pays où des ressources importantes ont été détectées[11]^,[12]. Le test in situ de récolte stabilisée durant deux semaines commence en mars 2013[13].

Des hydrates de méthane ont déjà pu être exploités à Messoyakha, petit champ gazier peu profond de Sibérie occidentale situé juste à la limite de stabilité des hydrates de méthane. En conséquence, sa partie basse était un gisement de gaz « normal » (du gaz libre dans du sable) tandis que le haut était rempli d'hydrates. L'exploitation du gaz conventionnel a réduit la pression et a déstabilisé les hydrates, dont le méthane a alors pu être utilisé.

Les industriels doivent tester en mer des méthodes de décompression des hydrates permettant de le récupérer intégralement. C'est un des projets du Japonais JOGMEC[14].

Un projet allemand baptisé SUGAR (acronyme de Submarine Gashydrat-Lagerstätten: Erkundung, Abbau und Transport), lancé à l'été 2008 par l'institut Leibniz pour les sciences marines de Kiel[15]^{[réf. incomplète]}, sous tutelle des ministères fédéraux de l'économie et de la technologie (BMWi) et de l'enseignement et la recherche (BMBF) avec l'appui de 30 partenaires économiques et scientifiques et un budget initial de près de 13 millions d'euros, vise à extraire du méthane marin et à stocker à sa place du CO₂ capté à la sortie de centrales thermiques ou d'autres installations industrielles[16].

Des études japonaises et américaines ont été réalisées depuis 2001 dans le but de démontrer que l'imperméabilisation d'un système d'approvisionnement NGH était possible dans le cadre de l'exploitation des gisements de gaz naturel offshore et non pas dans l'exploitation des gisements d'hydrates eux-mêmes (puisque celle-ci n'a pas encore pu être réalisée de façon effective dans un cadre d'approvisionnement à l'échelle industrielle).

Les études de faisabilité réalisées à cet effet ont donc démontré que l'utilisation de systèmes d'approvisionnement NGH basés sur les techniques de production d'hydrate de méthane synthétique était rentable dans le cadre d'une exploitation rationnelle des gisements de gaz naturel de moyenne et moindre importance : l'exploitation des gisements de gaz naturel comprend par définition un investissement très important dans les technologies de liquéfaction du gaz. L'investissement de base et le coût de construction et de mise en service d'une unité de liquéfaction rend l'exploitation des gisements de faible ou moyenne importance non économiquement viable.

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L'exploitation des hydrates de méthane ne se limite pas aux fonds sous-marins. En effet, les hydrates de méthane sont une bonne alternative pour le transport du méthane sur des distances relativement longues. Ainsi, on réduirait grâce aux hydrates de méthane le transport dangereux du gaz naturel liquéfié ou encore la construction de gazoducs.

De plus, le transport des hydrates par bateau pourrait être moins coûteux en énergie que celui du gaz naturel liquéfié, car les conditions de température et de pression seraient moins difficiles à préserver que dans les méthaniers actuels. A contrario, la quantité finale de gaz libre transportée par rapport au poids de la cargaison est en la défaveur des hydrates au niveau du coût de transport.

Si la distance reste inférieure à 6 000 km, le système d'acheminement NGH devient alors moins coûteux que le classique LNG. La production et la regazéification étant à la base déjà moins coûteuses avec le NGH et nécessitant de moindres investissements, le système marque ici sa supériorité sur le système de compression classique par liquéfaction du gaz naturel.

(soit 13,2 % en masse de méthane dans l'hydrate solide).

Pour fixer les ordres de grandeur, une bouteille de gaz utilisée pour distribuer le butane ou propane dite « 13 kg » (contenant environ 4,8 m³ de gaz butane à température et pression ordinaires) n'a qu'un volume de 30 litres. Ce volume permettrait de transporter (toutes les données de ce paragraphe sont arrondies, et aucune marge de sécurité n'est considérée) 14 kg de méthane à −161 °C à 1 bar [densité de 0,465] (ou à −100 °C et 30 bars). La même bouteille permettrait de contenir 27 kg d'hydrate de méthane sous 35 bars et 0 °C, soit 3,6 kg de méthane pur. Ces dernières conditions pourraient être décrites de manière caricaturale comme « une bouteille de gaz dans un réfrigérateur » ; c'est-à-dire dans des conditions relativement aisées à atteindre industriellement. Dans ce dernier cas, la bouteille contiendraient en sus des 3,6 kg de méthane, environ 23 kg d'eau afin de former un hydrate avec le gaz. Ce paragraphe n'a pas pour but de montrer une application industrielle réelle, mais plutôt de visualiser des ordres de grandeur.

Des recherches sont en cours de développement pour :

• permettre de transformer le méthane gazeux en hydrates pour son transport entre le gisement et le centre de consommation ;
• produire des hydrates de méthane en tant que stock d'hydrogène susceptible d'être utilisé dans des piles à combustibles ;
• maîtriser la formation d'hydrates de méthane dans les gazoducs où ces hydrates peuvent boucher des canalisations et/ou les endommager lorsqu'ils dégèlent. À cette fin, des biologistes tentent de comprendre comment certains organismes vivant peuvent inhiber la production de ces hydrates[17] ;
• transposer au CO₂ des technologies proches de celles qui pourraient être développées pour les hydrates de méthane, avec l'idée de pouvoir « emprisonner » le CO₂ dans de la glace (comme le méthane) et former ainsi des hydrates de CO₂. Ceci pourrait peut-être permettre de garder sous pression les gisements sous-marins d'hydrates de méthane s'ils deviennent exploitables, et ainsi limiter aussi le dégagement du CO₂ dans l'atmosphère.

L'exploitation des hydrates de méthane pourrait poser de sérieux problèmes en matière d'effet de serre. D'une part, leur combustion émet du CO₂ au même titre que le gaz naturel (mais moins que le charbon et le pétrole pour une même quantité d'énergie produite). D'autre part, le risque existe qu'en exploitant les hydrates sous-marins instables on fasse involontairement remonter de grandes quantités de méthane dans l'atmosphère : cela équivaudrait à exploiter du gaz naturel en autorisant d'énormes fuites. Or le méthane (CH₄) a un pouvoir de nuisance beaucoup plus élevé que le CO₂ en tant que gaz à effet de serre. Son potentiel de réchauffement global mesuré à l'échelle d'un siècle à partir de sa diffusion dans l'atmosphère est en effet compris entre 22 et 23 fois celui du dioxyde de carbone, en tenant compte d'une durée de vie moyenne des molécules de CH₄ de seulement une douzaine d'années avant leur décomposition en CO₂ par les UV, des phénomènes de combustion ou d'oxydation et diverses réactions chimiques.

Des scientifiques craignent que le réchauffement climatique, en élevant suffisamment la température du pergélisol, permette que les clathrates qui y sont présents fondent au moins partiellement : cela aurait pour effet de relâcher d'énormes quantités de méthane dans l'atmosphère, lequel viendrait à son tour augmenter l'effet de serre, d'où un effet d'emballement. Florent Dominé, du CNRS, évoque une augmentation de 5 à 8 °C de la température d'ici à 2100 dans l'hypothèse d'une libération dans l'atmosphère de l'intégralité du carbone enfoui dans le pergélisol[9].

En 2014, des chercheurs mettent en évidence qu'un dégazage d'hydrates de méthane observé dans l'Atlantique au large de Svalbard est d'origine naturelle et a débuté il y a au moins 3 000 ans[18]. Les auteurs, qui craignaient initialement que le phénomène soit dû au réchauffement climatique, estiment toutefois qu'un tel mécanisme reste possible, car à long terme l'océan profond va également se réchauffer ; or, le plancher océanique contient des quantités très importantes d'hydrates de méthane, qui accélèreront le réchauffement en cas de dégazage[19].

Selon David Archer (en) en 2007, les hydrates de méthane entrainent déjà un dégazage aujourd'hui en réponse au réchauffement climatique d'origine anthropique, par exemple à la frontière entre la Sibérie et l'océan Arctique, mais l'essentiel des hydrates de méthane sont profondément enfouis dans le sol ou dans les sédiments océaniques, de sorte que l'échelle de temps à considérer pour que le réchauffement climatique en cours ne déclenche leur éventuel dégazage se compte en milliers d'années[20]. De ce fait, l'auteur estime que l'effet du dégazage au cours du prochain siècle pourrait être « significatif mais pas catastrophique ».

En 2017, une revue de littérature par l'Institut d'études géologiques des États-Unis conclut que la décomposition des hydrates de méthane a peu de chance de provoquer une émission massive de méthane, comparable aux émissions de gaz à effet de serre d'origine anthropique, parce que l'essentiel du gaz n'atteint pas l'atmosphère et reste prisonnier des sédiments marins, transformé en CO₂ par des microbes ou dissous dans l'océan[21]. Une étude parue dans Science advances en janvier 2018 corrobore cette théorie : elle montre qu'environ 10 % seulement du méthane émis au niveau du plancher océanique de la mer de Beaufort atteignent la surface[22]^,[23].

Gavin Schmidt, du Goddard Institute for Space Studies (NASA), considère le risque lié au dégazage des hydrates de méthane comme « faible », tandis que le professeur Tim Lenton de l'université d'Exeter et spécialiste des points de bascule climatique estime que le process de dégel du pergélisol prendra des milliers, voire des dizaines de milliers d'années. Peter Wadhams, professeur à l'université de Cambridge et auteur d'un article sur le sujet dans la revue Nature en 2013, qui repose sur une fonte complète de la banquise Arctique en été dès 2015 (un scénario qui ne s'est finalement pas réalisé), estime au contraire que le dégazage pourrait ne prendre qu'une cinquantaine d'années voire moins[24].

Selon une étude parue dans la revue Palaeoworld (en) en 2016, un dégel massif des hydrates de méthane océaniques serait la principale cause du réchauffement climatique ayant conduit à l'extinction Permien-Trias qui vit disparaître 95 % des espèces marines et 70 % des espèces continentales, il y a 250 millions d'années. Les auteurs de l'étude font le lien avec le réchauffement climatique actuel[25]^,[26]. D'autres scientifiques, Peter Wadhams et Tim Palmer, trouvent toutefois que cette étude pêche par excès de catastrophisme[27]. Par ailleurs, des chercheurs du MIT et de l'académie chinoise des sciences de Nankin montrent en 2014 que l'émission massive de méthane pourrait être due à des microbes et non à un dégel des hydrates de méthane[28].

Tout d'abord, et ce surtout à cause de l'expansion économique et technologique du Japon et de l'arrêt de ses centrales nucléaires, les besoins énergétiques sont de plus en plus importants dans ce pays. Depuis des années, le Japon cherchait un moyen d'extraire du méthane, une source prometteuse d'un renouveau de l'économie car elle permettrait de limiter les importations. Le Japon importe 95 % de son énergie, l'hydrate de méthane lui permettrait de diminuer considérablement ce chiffre. Le 12 mars 2013, ils ont enfin commencé des tests permettant de démontrer visuellement leur découverte.

Les hydrates de méthane étant présents dans des talus continentaux, le Japon est donc très bien fourni en ce produit car il est entouré par l'océan Pacifique ; les besoins énergétiques seraient donc comblés.

Cet hydrate de méthane pourrait être utilisé pour produire de l'électricité mais surtout pour fournir le gaz qui doit actuellement être majoritairement importé.

D'autres problèmes viennent de la Centrale nucléaire de Fukushima Daiichi qui est fermée depuis son explosion. Le nucléaire, source notable d'énergie électrique, est de moins en moins utilisé par le Japon pour produire de l'électricité, il lui faut une alternative : le méthane. Les réserves les plus importantes de méthane sont les hydrates de méthane qui peuvent se transporter à moindre coût[29].

À 80 km des côtes de la péninsule d'Atsumi dans les eaux de la préfecture d'Aichi, au sud de l'île Honshû, l'expérience réalisée à 1 000 mètres de profondeur marine est la première réussite obtenue.

Cette expérimentation consiste à provoquer une chute de pression pour que le gaz enfermé s'échappe avec l'eau de la glace qui entoure le méthane mélangé à des sédiments en petite quantité[30].

Le Japon, voulant exploiter au plus tôt cette source presque inépuisable d'énergie compte faire d'autres tests entre 2014 et 2015.

Le méthane issu de forages gaziers ou de la méthanisation est largement utilisé depuis la première révolution industrielle, Le méthane issu d'hydrates naturels pourrait théoriquement être récupéré par dépressurisation du sédiment et/ou par son réchauffement (in situ ou en le remontant en surface dans les deux cas), mais...

• une partie du méthane récolté fuit dans l'atmosphère lors de ses processus d'extraction, transport, compression, etc. et c'est un puissant gaz à effet de serre. De plus le CO₂ émis par sa combustion est aussi un gaz à effet de serre. Le CO₂ et le méthane lui-même contribuent à environ 20 % de l'augmentation de l'effet de serre, ce pourquoi certains experts (GIEC…) jugent qu'il peut être dangereux pour le climat. D'autant qu'un réchauffement des pergélisols et des océans pourrait augmenter la dissociation d'hydrates de méthane en eau et en méthane, avec un effet d'accélération du réchauffement.
• certains auteurs, suivis par le Japon et d'autres pays voient dans les hydrates de méthane des sédiments marins, ou continentaux (pergélisols essentiellement) une source d'énergie fossile prometteuse et abondante pour le futur (il y aurait là potentiellement plus d'énergie que les réserves connues de pétrole, gaz et charbon selon certaines estimations[31]). Cependant une grande partie de ces hydrates n'est pas pure ni directement accessible, mais intégrée dans une matrice poreuse qui est un sédiment plus ou moins homogène et caractérisé par des « pores » plus ou moins grands).
• capter et exploiter le méthane piégé dans une matrice sédimentaire n'est pas aisé sans dégrader l'environnement. Son exploitation aux pieds des abords des plateaux continentaux (où sur leurs pentes où il est abondant) risque localement de provoquer des effondrements importants, pouvant générer des tsunamis.
  En effet, le couple eau-méthane a trois phases possibles : 1) liquide, 2) gazeuse et 3) "hydrate, c'est-à-dire dans ce cas « solide ». Cependant la fusion des hydrates de méthane piégés dans un milieu poreux plus ou moins saturé en hydrates peut générer des instabilités dans ce substrat. Elle libère d'une part de l'eau et d'autre part du méthane (qui sera plus ou moins dissous et/ou gazeux selon les conditions de température, pression, salinité du milieu)[31]. Cette réaction provoque des « mouvements de fluide et des effets thermiques importants »[31] (car dans le milieu poreux qui contient l'hydrate de méthane, des gradients de pression seront formés par dissociation en méthane localement dissous et localement gazeux (bulles), ce qui est source de gradients de température qui pourront eux-mêmes influer la vitesse et la géographie de la dissociation. Ce phénomène apparait à échelles microscopique puis macroscopique, avec une hétérogénéité susceptible d'être aggravée par des phénomènes d'adsorption du gaz dans la matrice (si elle est riche en argile ou en matière organique par exemple), et/ou de « mise en suspension » d'une partie de la matrice (par exemple vase argileuse) dans l'eau ainsi formée, avec comme résultante une déstabilisation du substrat qui cherchera à trouver un nouvel équilibre.
  Si la couche de sédiment poreux est épaisse et relativement liquide ou liquéfié par le réchauffement, les remontées de bulles peuvent aussi perturber les équilibres qui le caractérisaient (phénomène de type solifluxion). Remarque : dans un bloc de sédiment riche en hydrates de méthane, la fusion/dissociation des hydrates est dite à « cœur rétrécissant » (car l'hydrate piégé dans le bloc de sédiment fond à partir de son extérieur (par transfert thermique radial) ; la chaleur se propageant des frontières (plus chaudes) vers sa partie centrale (cœur du sédiment) qui se refroidit moins vite[32]^,[33].
  Dans un milieu poreux « des gradients de pression peuvent apparaître et perturber la cinétique de dissociation : il est donc capital de prendre en compte l'écoulement des fluides dans ce milieu » estiment Tonnet et al. de l'École nationale supérieure des mines de Saint-Étienne (SPIN-GENERIC)[31] qui a produit un modèle de dissociation de ces hydrates tenant compte – en milieu poreux – des transferts thermiques et des transferts de masse[31]. Pour comprendre et décrire l'écoulement multiphasique (eau + gaz) qui se produit dans les pores (libres ou subitement devenus libres) du sédiment au moment de la fusion, il faut faire appel à deux notions physiques : la « perméabilité relative » et la loi de Darcy à appliquer dans ce cas à un mode « polyphasique »[31].
• certains auteurs pensent qu'on pourra un jour remplacer le méthane par du CO2 dans la matrice même afin que celle-ci ne s'effondre pas, mais cette technique n'est pas encore maitrisée.

• Gérard Lambert, Jérôme Chappellaz, Jean-Paul Foucher, Gilles Ramstein, Édouard Bard (préf.), Le méthane et le destin de la Terre : les hydrates de méthane : rêve ou cauchemar ?, EDP Sciences, 2006
• (en) Xuemei Lang, Shuanshi Fan, Yanhong Wang, « Intensification of methane and hydrogen storage in clathrate hydrate and future prospect Review », Journal of Natural Gas Chemistry, volume 19, numéro 2010-05-03, pages 203-209 (Résumé)
• (en) T. Elperin, A. Fominykh, « Model of gas hydrate formation on the surface of a slug of a pure gas », International Communications in Heat and Mass Transfer, volume 22, numéro 3, mai–juin 1995, pages 435-443 (Résumé)
• (en) Bahman ZareNezhad, Farshad Varaminia, « A generalized macroscopic kinetic model for description of gas hydrate formation processes in isothermal–isochoric systems Energy », Conversion and Management, volume 57, Mai 2012, pages 125-130 (Résumé)
• (en) P. Englezos, N. Kalogerakis, P.D. Dholabhai, P.R. Bishnoi, « Kinetics of gas hydrate formation from mixtures of methane and ethane, » Chemical Engineering Science, volume 42, numéro 11, 1987, pages 2659-2666 (Résumé)

• Les hydrates de méthane: une réserve énergétique énorme, mais une bombe écologique en puissance, département de géologie et génie géologique de l'Université Laval.
• Études sur les hydrates de gaz naturels au Canada, article publié dans le "Recorder", Canadian Society of Exploration Geophysicists.
• Hydrates de méthane, Connaissance des énergies.

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